基于可控節(jié)點(diǎn)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

李丹

（1.欽州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；2.欽州市物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州 535011）

1 引言

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Network，UASN)作為水下環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Ы鉀Q方案[1]受到研究人員的廣泛關(guān)注。水聲信道復(fù)雜多變的特性會造成數(shù)據(jù)傳輸信號發(fā)生不同程度的衰減[2,3]，水流和生物活動又會造成水下節(jié)點(diǎn)的位置偏移，因此水聲信道難以保證鏈路和路由的穩(wěn)定性。頻繁的數(shù)據(jù)重傳或者使用較大發(fā)射功率發(fā)送數(shù)據(jù)會快速消耗水下節(jié)點(diǎn)的能量，如何保證通信成功并延長UASN的生命周期已成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。在無法提供持續(xù)能量供給的情況下，有研究針對鏈路接入[3]和路由尋路[4-6]等方面進(jìn)行算法改進(jìn)，在一定程度上提高了UASN的連通性并降低水下節(jié)點(diǎn)的通信能耗，但是無法很好地解決因節(jié)點(diǎn)位置偏移或能量耗盡帶來的網(wǎng)絡(luò)癱瘓等問題。基于自組織型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[3-6]是基于水下節(jié)點(diǎn)可用的情況，從而改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，其缺點(diǎn)是缺乏對失效或者失聯(lián)節(jié)點(diǎn)的維護(hù)。

針對UASN因節(jié)點(diǎn)位置偏移和能量耗盡所造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓問題，設(shè)計(jì)一種基于可控節(jié)點(diǎn)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Control System Based on Controllable Nodes，CSCN），有助于改進(jìn)UASN的可靠性和可持續(xù)性。可控節(jié)點(diǎn)（Controllable Nodes，CN）是在普通水下節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上安裝推動器，可執(zhí)行下沉、上浮、平面移動等簡單的移動命令。CSCN通過對CN的部署、調(diào)整和召回等操作實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂疲黾泳W(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，能夠?qū)φ倩氐墓?jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充，從根本上解決水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期受限的問題。

2 可控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的UASN水下節(jié)點(diǎn)多采用電池功能和自組網(wǎng)工作模式，在缺乏中央控制的條件下，節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)位置偏移和能量耗盡的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，甚至是癱瘓等問題。目前大部分研究[3-6]通過優(yōu)化通信協(xié)議來解決拓?fù)渲亟M的問題，這一做法在解決網(wǎng)絡(luò)連通性問題的同時，會帶來存活節(jié)點(diǎn)運(yùn)算量和網(wǎng)絡(luò)通信量增加的問題，不利于節(jié)點(diǎn)能量的節(jié)約和網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。可控節(jié)點(diǎn)，即CN，是在普通水下節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上安裝具有獨(dú)立電池的推動器，以幫助節(jié)點(diǎn)在水下完成下沉、上浮、平面移動等活動。推進(jìn)器的外形設(shè)計(jì)如圖1所示，CN外形如圖2所示。

圖1 推進(jìn)器螺旋槳外形設(shè)計(jì)圖

圖2CN外形圖

CN安裝有兩個推進(jìn)器，推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)夾角為90°。當(dāng)推進(jìn)器處于完全水平狀態(tài)時，旋轉(zhuǎn)軸可以從水平位置向下旋轉(zhuǎn)至垂直位置；當(dāng)推進(jìn)器處于完全垂直狀態(tài)時，旋轉(zhuǎn)軸可以從垂直位置向上旋轉(zhuǎn)至水平位置。當(dāng)CN需要執(zhí)行上浮活動時，可調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸，將推進(jìn)器置于如圖1(b)所示的垂直狀態(tài)；當(dāng)CN需要執(zhí)行水下平移活動時，可調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸，將推進(jìn)器置于如圖1(a)所示的水平狀態(tài)。CN的推進(jìn)器配備獨(dú)立電池，該部分能量不參與數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送活動。中央控制系統(tǒng)可以命令CN上浮至水面，便于工作人員對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電和維修等維護(hù)工作。雖然在普通水下節(jié)點(diǎn)上安裝推進(jìn)器會增加設(shè)備生產(chǎn)成本，但是從設(shè)備的可持續(xù)使用性和可維護(hù)性來看，這一改進(jìn)措施有利于降低設(shè)備損耗和維護(hù)成本。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CSCN系統(tǒng)主要從網(wǎng)絡(luò)部署控制、匯總數(shù)據(jù)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂迫齻€方面維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。其中網(wǎng)絡(luò)部署控制是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署階段，利用部署在陸地上的拓?fù)淇刂品?wù)器(Topology Control Server,TCS)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中投放的CN發(fā)出定位指令，通過對CN的下沉和平移等操作完成整個網(wǎng)絡(luò)水下節(jié)點(diǎn)的部署活動，具體步驟如下：

(1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，人工在水域中投放CN。

(2)TCS按照拓?fù)湓O(shè)計(jì)腳本中各CN的位置信息，命令Sink節(jié)點(diǎn)使用足夠大的發(fā)射功率通過水聲信道依次向各CN發(fā)送定位幀，定位幀格式如圖3所示。幀首部和尾部各帶1個字節(jié)的Flag字段，內(nèi)容為01111110，用以標(biāo)記幀的開始和結(jié)束。幀序號字段用于區(qū)分重復(fù)幀。FCS字段為幀校驗(yàn)碼。在網(wǎng)絡(luò)部署階段，幀中的源地址為Sink節(jié)點(diǎn)MAC地址，目的地址為全1的廣播地址。

圖3 定位幀格式示意圖

(3)CSCN系統(tǒng)規(guī)定最短有效幀長度為60個字節(jié)。當(dāng)CN收到定位幀后，首先檢查幀長度L，若L<60，則直接丟棄；若L≥60，則繼續(xù)校驗(yàn)FCS。若定位幀沒有出錯，CN檢查幀中的“CN設(shè)備編號”字段，若與自己的編號相同，則按照幀中定位數(shù)據(jù)調(diào)整推進(jìn)器完成下沉和平移等活動。若定位幀出錯或者設(shè)備編號與自身不符，則丟棄該幀。

(4)CN完成定位活動后，必須使用最大發(fā)射功率向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個確認(rèn)幀，確認(rèn)幀的格式和定位幀相同，確認(rèn)幀序號填寫收到的定位幀序號，源地址為自己的MAC地址，目的地址為Sink節(jié)點(diǎn)的MAC地址，CN設(shè)備編號為自己的編號，數(shù)據(jù)部分用填充40個字節(jié)的0。

(5)當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)收到幀序號最大的確認(rèn)幀時，對已收到的確認(rèn)幀序號進(jìn)行遍歷，若發(fā)現(xiàn)序號不全，則向?qū)?yīng)的CN重新發(fā)送定位幀。

(6)CN重復(fù)收到屬于自己的序號且相同的定位幀時，丟棄重復(fù)的定位幀，但必須向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)幀。

CSCN系統(tǒng)的匯總數(shù)據(jù)監(jiān)控階段，主要是對Sink節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若在2個分析周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)某CN一直沒有參與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，則對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整或者召回操作，具體步驟如下：

(1)TCS中設(shè)置分析計(jì)時器，用以設(shè)置系統(tǒng)的分析周期。

(2)Sink節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)報(bào)文都必須發(fā)送到TCS，數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖4所示。源地址為發(fā)送數(shù)據(jù)的CN地址，目的地址為Sink節(jié)點(diǎn)地址，路由序列為各數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)編號序列，類型為報(bào)文類型字段，F(xiàn)CS為報(bào)文校驗(yàn)字段。路由序列的開始是數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的編號，各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時會將自己的節(jié)點(diǎn)編號添加到路由序列末尾。

圖4 報(bào)文格式示意圖

(3)TCS中的分析計(jì)時器超時后，服務(wù)器對該周期內(nèi)收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行分析，與此同時，分析計(jì)時器歸零并重新計(jì)時。

(4)TCS主要對報(bào)文中的路由序列部分進(jìn)行遍歷，統(tǒng)計(jì)上一個分析周期內(nèi)參與數(shù)據(jù)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的CN編號，并與部署腳本的編號集合進(jìn)行對比，找出沒有出現(xiàn)的CN編號，并放入失效節(jié)點(diǎn)集合。分析周期分為奇數(shù)周期和偶數(shù)周期，奇數(shù)周期只能在失效節(jié)點(diǎn)集合中添加節(jié)點(diǎn)，偶數(shù)周期可以在失效節(jié)點(diǎn)集合中添加或刪除節(jié)點(diǎn)。

(5)若當(dāng)前處于偶數(shù)分析周期，在分析結(jié)束后，TCS按照失效節(jié)點(diǎn)集合中記錄的CN編號，命令Sink節(jié)點(diǎn)使用足夠大的發(fā)射功率依次向水下CN發(fā)送定位幀，命令CN向網(wǎng)絡(luò)中心位置移動。

(6)CN在正常運(yùn)行過程中收到定位幀，則暫停一切數(shù)據(jù)采集活動，并在完成相關(guān)下沉、上浮或者平移活動后，使用最大發(fā)射功率向Sink節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)幀。

(7)Sink節(jié)點(diǎn)收到CN的確認(rèn)幀后，則向TCS回復(fù)一個確認(rèn)消息，TCS根據(jù)確認(rèn)消息中攜帶的CN編號，從失效節(jié)點(diǎn)集合中刪除該節(jié)點(diǎn)記錄。

(8)每個CN在TCS中都配置一個失效計(jì)時器。當(dāng)CN被添加到失效節(jié)點(diǎn)集合時，計(jì)時器啟動；當(dāng)CN被從失效節(jié)點(diǎn)集合刪除時，計(jì)時器歸零。當(dāng)CN的失效計(jì)時器超時后，TCS命令Sink節(jié)點(diǎn)使用最大發(fā)射功率向該CN發(fā)送定位幀，從而命令CN上浮到指定的人工維護(hù)區(qū)域，以便工作人員進(jìn)行充電、維修等維護(hù)工作。

CSCN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂齐A段，是在需要對整個UASN進(jìn)行重新部署時，按照拓?fù)湓O(shè)計(jì)腳本對所有水下CN進(jìn)行重新定位，具體步驟如下：

(1)TCS命令Sink節(jié)點(diǎn)使用足夠大的發(fā)射功率通過水聲信道發(fā)出一段時間的干擾信號，在干擾周期結(jié)束后，再廣播發(fā)送一個暫停命令幀，命令幀的格式和定位幀相同，只是將定位數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容放入命令代碼。

(2)CN在干擾周期中因?yàn)樾盘枦_突而停止一切數(shù)據(jù)發(fā)送活動。

(3)CN收到暫停命令幀后，停止一切數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送活動。

(4)TCS在經(jīng)過一個等待周期后，執(zhí)行與網(wǎng)絡(luò)部署控制階段相同的步驟。

(5)經(jīng)過一個部署周期后，TCS對沒有反饋確認(rèn)幀的CN執(zhí)行召回操作。TCS命令Sink節(jié)點(diǎn)使用最大發(fā)射功率向該

CN發(fā)送定位幀，從而命令CN上浮到指定的人工維護(hù)區(qū)域，完成召回操作。

4 結(jié)語

水聲信道復(fù)雜多變，僅通過優(yōu)化通信協(xié)議的辦法難以保證UASN的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。針對UASN因節(jié)點(diǎn)位置偏移和能量耗盡所造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓問題，設(shè)計(jì)一種基于可控節(jié)點(diǎn)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，即CSCN系統(tǒng)。首先，在普通水下節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上安裝獨(dú)立供電的推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)水下節(jié)點(diǎn)在水中的上浮、下沉和平移等活動。其次，CSCN系統(tǒng)以TCS作為控制中心，從網(wǎng)絡(luò)部署控制、匯總數(shù)據(jù)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂迫齻€方面實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可持續(xù)性的維護(hù)。CSCN系統(tǒng)目前處于設(shè)計(jì)階段，下一步將進(jìn)行系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)的研究，為系統(tǒng)的實(shí)例化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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